Hopp til innhold
X
Innhald

Klimamodell

Ein klimamodell er eit dataprogram som reknar ut korleis dei ulike prosessane som til saman utgjer klimaet på jorda, utviklar seg frå eit gitt startpunkt. Klimamodellar er nødvendige for å skaffe informasjon om korleis klimaet vil bli i framtida.

I klimamodellar nyttar ein matematiske likningar til å representere ulike fysiske, kjemiske og biologiske prosessar. Klimamodellen blir mata med informasjon om klimatilstanden på eit gitt tidspunkt og bruker så dette som utgangspunkt for å løyse likningane for eit litt seinare tidspunkt. Modellane er konstruerte slik at dei ikkje kan kome fram til svar som bryt med naturlovene. Klimamodellar blir testa ved å sjå om dei greier å gjenskape kjende klimavariasjonar i fortida. Dagens klimamodellar må handtere så store informasjonsmengder at det trengst kraftige superdatamaskiner for å køyre dei. Utviklinga av klimamodellar har difor gått parallelt med utviklinga i reknekraft i datamaskiner.

På grunn av dei enorme datamengdene og den ibuande kompleksiteten i klimasystemet er det ikkje mogleg å løyse alle likningane for kvart punkt på jorda. Difor blir oftast jordoverflata og atmosfæren delt inn i rutenett, om lag som pikslane i eit digitalt foto, men i tre dimensjonar og i mange lag oppå kvarandre. Klimamodellen løyser så likningane for kvar boks i rutenettet, og på ein slik måte at det blir jamne overgangar mellom boksane. Storleiken på boksane avgjer kor høg romleg oppløysing modellen har. Modellar med høgare oppløysing, altså fleire og mindre boksar, kan gi meir spesifikk regional informasjon, men til gjengjeld krev dei mykje meir reknekraft. Dei globale klimamodellane vi har i dag, har vanlegvis ei oppløysing i storleiksorden 100 kilometer for boksane som ligg midt mellom ekvator og polane. Det er mogleg å skalere ned klimamodellar til lokalt eller regionalt nivå, og det blir kalla nedskalering.

Ulike modelltypar

Det finst ulike typar klimamodellar, med ulike bruksområde, og dei kan vere alt frå heilt enkle til svært komplekse. Dei første klimamodellane var energibalansemodellar som rekna ut den globale gjennomsnittstemperaturen ved å sjå på jorda som eit punkt, og skildre balansen mellom strålingsenergien som kjem inn frå sola, og varmeenergien som forsvinn ut att, ved hjelp av nokre få likningar.

Strålingsmodellar simulerer energioverføringane gjennom heile atmosfæren. Dei kan ta omsyn til varme- og fuktutveksling mellom ulike luftlag og til dømes sjå på kva som skjer når varm luft stig til vêrs.

Generelle sirkulasjonsmodellar er tredimensjonale og skildrar sirkulasjonen i atmosfæren eller havet og effekten av til dømes trykk- og temperaturendringar, sol- og varmestråling, fordamping og farten i luft- og havstraumar. Dei kan gjerast stadig meir komplekse ved å inkludere fleire og meir detaljerte prosessar. Kopla sirkulasjonsmodellar bind desse ulike prosessane saman ved at fleire spesialiserte modellar, til dømes ein atmosfæremodell og ein havmodell, blir kopla til kvarandre. Når ein køyrer modellane, vil dei ulike prosessane vekselverke med kvarandre og simulere klimautviklinga frå eit gitt utgangspunkt. Dei mest avanserte modellane blir kalla jordsystemmodellar, og dei inkluderer i tillegg slikt som kjemiske prosessar, utveksling av næringsstoff, endringar i økosystem, vegetasjon og arealbruk og korleis desse faktorane verkar på kvarandre. Nokre inkluderer også scenario for økonomisk og demografisk utvikling og endringar i energiforbruk, og korleis utslepp av klimagassar kan variere som resultat av desse prosessane.

Når forskarar bruker klimamodellar til å undersøkje klimautvikling, varierer dei faktorane som styrer endringar i klimaet, til dømes endringar i innstråling frå sola eller endring i konsentrasjonen av klimagassar eller i mengda svevestøv i atmosfæren. Slike styringsfaktorar blir kalla pådriv.

Klimamodellen produserer så eit bilete av klimautviklinga i form av verdiar for mange ulike variablar, slik som temperatur og fukt i lufta, temperatur i havet, nedbør, isdekke, vind og hav- og luftstraumar. Resultata blir sjekka ved å samanlikne dei med observerte verdiar, til dømes temperaturmålingar dei siste hundre åra eller målingar av isdekket i Arktis over tid. Ein samanliknar også modellresultata med informasjon om klimavariasjonar lenger tilbake i tid enn vi har direkte observasjonar om. Slik informasjon kan til dømes kome frå kjelder som iskjernar, sedimentprøver eller årringar i tre. Samanlikningar viser at dagens klimamodellar greier å gjenskape klimaet i fortida, og at dei kan gjenskape klimaeffekten av ekstraordinære hendingar som store vulkanutbrot. Di betre modellane rekonstruerer klimaet i fortida, di betre grunn er det til å tru at dei kan produsere realistiske predikasjonar for framtida.

Utvikling

Klimamodellar byggjer på vêrvarslingsmodellar, men er laga for å studere endringar over lange tidsrom, ikkje berre for nokre få dagar. Vilhelm Bjerknes, kjend som grunnleggjaren av moderne vêrvarsling, var den første til å foreslå at ein kunne rekne ut vêrtilstanden nokre dagar framover ved hjelp av nokre få likningar og informasjon om vêrtilstanden i dag ved tilstrekkeleg mange observasjonspunkt. Dei første brukbare datamaskinutrekna vêrvarsla blei laga av svenske og norske meteorologar i 1954. Dei brukte ei svensk datamaskin som blei kalla BESK, som på den tida var den raskaste i verda. Rett etterpå etablerte det amerikanske Weather Bureau ei eiga avdeling som hadde til oppgåve å utvikle ein sirkulasjonsmodell som kunne reprodusere storskala prosessar i jordatmosfæren. Den første generelle sirkulasjonsmodellen blei laga i 1956, men modellen kunne ikkje rekne meir enn nokre dagar fram i tid. Dei neste åra blei det arbeidd hardt både med å utvikle betre og meir stabile modellar og raskare datamaskiner.

Den første tredimensjonale modellen for sirkulasjon i havet blei utvikla i 1967. Same året publiserte Syukuro Manabe og Richard Wetherald ein vitskapleg artikkel der dei ved hjelp av ein klimamodell for første gong oppnådde realistiske resultat for kva som ville skje dersom nivået av karbondioksid i atmosfæren blei endra. Tidlegare modellar hadde ikkje gjort godt nok greie for viktige prosessar som varmeutveksling mellom jordoverflata og atmosfæren, at høgare temperatur fører til at atmosfæren kan halde på meir fukt, eller effekten av skydanning. Modellen til Manabe og Wetherald tok omsyn til alle dei viktigaste faktorane og er framleis gyldig i dag.

I 1969 blei den første satellitten som hadde til oppgåve å måle temperatur og stråling i atmosfæren for å teste klimamodellar, skoten opp. Sidan er satellittmålingar blitt ein stadig viktigare del av klimamodellering. Snart kom også det første forsøket på å lage ein klimamodell som kopla havet og atmosfæren saman og tok omsyn til transport av vatn frå land og til havet og tilbake. Men det tok svært lang tid å køyre modellen, og ein måtte operere med eit svært forenkla bilete av jordkloden for å få det til.

Manabe og Wetherald brukte i 1975 ein generell sirkulasjonsmodell til å undersøkje kva som ville skje dersom CO2-konsentrasjonen i atmosfæren blei dobla. Resultata viste for første gong at polområda ville bli oppvarma mykje raskare enn andre delar av jorda, og at transport av fukt, og dermed nedbør, ville auke sterkt. På dette tidspunktet var det generell semje i forskarmiljøa om at klimamodellar i det store og heile produserte realistiske utfall, sjølv om dei enno var for grove til å handtere detaljar. Ei rad forskargrupper hadde no utvikla eigne klimamodellar som dei nytta i forskinga si.

I 1989 blei det internasjonale samarbeidet «Atmospheric Model Intercomparison Project» etablert. Dette var eit rammeverk som skulle samanlikne og validere ulike atmosfæriske sirkulasjonsmodellar målt opp mot ein felles standard. Seinare har så å seie alle som arbeider med klimamodellar, slutta seg til dette rammeverket. Nokre år seinare kom eit tilsvarande rammeverk for modellar som kopla hav og atmosfære, nemleg «Coupled Model Intercomparison Project». Eksperimenta som blir utførte gjennom dette rammeverket, blir oppsummerte i dei jamlege rapportane til FNs klimapanel.

I 1995 blei ein sirkulasjonsmodell for første gong brukt til å undersøkje kva effekt svevestøv i lufta har på klimaet. Konklusjonen var at partiklar i lufta har ein nedkjølande effekt, og at arbeid for å redusere luftforureining dermed fører til sterkare global oppvarming. På denne tida byrja klimaendringane å bli målbare, og forskarar tok til å bruke klimamodellar til å undersøkje kor mykje av endringane som kom av menneskeleg aktivitet, og kor mykje som kom frå naturlege klimasyklusar.

Frå omkring 2000 blei det meir og meir vanleg å ta omsyn til økonomisk og teknologisk utvikling i klimamodellane. Denne typen kunnskap er viktig for å estimere moglege utsleppsbanar, sidan utslepp av klimagassar vil endre seg med økonomiske og teknologiske endringar. Målet var å gi betre informasjon til politikarar, som treng å vite kva grunnlag dei skal basere politiske tiltak på.

Samtidig blei også plantelivet si rolle i karbonsyklusen for første gong inkludert i ein klimamodell. Modellkøyringane viste at etter kvart som utsleppa av drivhusgassar aukar, vil jordsmonnet og plantelivet ikkje lenger vere ein netto lagrar av CO2, men vil i staden byrje å sleppe ut meir CO2 enn dei kan lagre.

Rapportane frå FNs klimapanel inneheld no eigne kapittel der ein evaluerer klimamodellane og gjer greie for kor godt dei representerer røyndomen, og kva som framleis kan bli betre.

Uvisse i klimamodellane

Klimamodellar blir brukte både til å forske på klimaet og til å forske på modellane sjølve. Ofte vil ulike forskargrupper bruke kvar sin klimamodell til å køyre det same eksperimentet, slik at ein kan undersøkje skilnadene mellom resultata og dermed få eit betre bilete av uvissa i framtidige klimaestimat. Vanlegvis vil modellane samsvare godt på nokre område og mindre godt på andre område. Det gir forskarane eit bilete av kor pålitelege modellresultata er, og korleis modellane kan bli betre. Klimamodellar blir også kontrollerte ved at ein startar dei på eit tidspunkt før industrialiseringa, og så lèt dei køyre gjennom hundrevis eller tusenvis av år utan å endre på pådriva, korkje dei naturlege eller dei menneskeskapte. På den måten vil ein oppdage om resultata endrar seg systematisk over tid utan at det kan forklarast med naturleg variabilitet i modellen eller med endringar i pådriv, såkalla «drift». Det er mogleg å korrigere for drift når ein har eit godt bilete av kor stor effekten er.

Mange av prosessane som påverkar klimaet, slik som variasjonar i terrenget eller danning av skyer, skjer i mindre skala enn dei boksane som klimamodellane deler opp jordsystemet i. Slike småskalafenomen kan ein klimamodell difor ikkje rekne ut, og då må forskarane i staden bestemme ein verdi for slike fenomen, som dei så kan setje inn i programkoden til modellen. Dette blir kalla parametrisering. Oftast veit ein ikkje akkurat kva verdi som er rett, for ein har ikkje hundre prosent sikker informasjon om alt i klimasystemet, og då vil ein prøve ut fleire ulike verdiar og køyre modellen med kvar av dei for å sjå kva resultat som samsvarer best med røyndomen. Så bruker ein desse verdiane vidare.

Fordi klimasystemet på jorda er enormt komplekst og har kaotiske element, vil ein modell aldri kunne gi eit heilt nøyaktig bilete av klimatilstanden på noko tidspunkt. Over tid har det likevel vist seg at klimamodellar i det store og heile samsvarer godt med globale observasjonar. Det finst nokre prosessar som moderne klimamodellar framleis strevar med å modellere korrekt. Det gjeld skyer, som kan oppstå og forsvinne raskt og ha ulike klimaeffektar, avhengig av situasjonen, og som ofte skjer i mykje mindre skala enn den romlege oppløysinga i modellen. Globale klimamodellar er difor ikkje gode verktøy for å føreseie lokale nedbørsepisodar, dei kan berre seie noko om langvarige, større nedbørstrendar. Eit anna døme er det store lågtrykksbeltet kring ekvator, som styrer nedbørsmønsteret i tropane. Dei fleste klimamodellar har problem med å simulere variasjonane i dette lågtrykksbeltet heilt korrekt, med den konsekvensen at projeksjonane for nedbør i områda kring ekvator blir anten for høge eller for låge. Det same problemet gjeld jetstraumane, som er «elvar» av kraftige vindar høgt oppe i atmosfæren. Klimamodellar gjenskaper jetstraumane, men har ein tendens til å overforenkle dei. Det får konsekvensar for modellane si evne til å føreseie stormbanar. Forskarar arbeider kontinuerleg med å forbetre klimamodellane, og dei offentleggjer jamleg nye og forbetra utgåver av modellane.

Nedskalering

Globale klimamodellar har for grov romleg oppløysing til å gi brukbar informasjon om framtidig klimautvikling på lokalt eller regionalt nivå, til dømes ein enkelt kommune. For å få til dette, må ein nedskalere resultata frå dei globale modellane. Ein måte å gjere dette på er å samanstille klimautviklinga i stor skala med statistiske analysar av lokale vêrdata. Slik kan ein få betre informasjon om korleis det lokale klimaet varierer med storskala klimaendringar, og denne kunnskapen kan så brukast til å rekne ut lokal klimautvikling når den globale klimautviklinga er kjend frå modellar.

Ein annan måte er såkalla dynamisk nedskalering, som vil seie å bruke ein klimamodell som fungerer på same måten som dei globale modellane, men med mykje høgare romleg oppløysing, og berre køyre han i eit mindre geografisk område. I ytterkantane av området blir den regionale modellen mata med informasjon frå den globale modellen.

Klimamodellering i Noreg

Bruk av klimamodellar har ei lang historie i norske forskingsmiljø. Den første kopla hav- og atmosfæremodellen i Norden, Bergen Climate Model, blei utvikla av forskarar knytte til Bjerknessenteret for klimaforsking i Bergen og blei teken i bruk i 2002. Modellen blei seinare brukt som grunnlag for ein nasjonal jordsystemmodell, NorESM (Norwegian Earth System Models). Denne modellen er vidareutvikla av fleire norske klimaforskingsmiljø i samarbeid, gjennom ein serie nasjonale forskingsprosjekt. I 2018 fekk NorESM status som nasjonal forskingsinfrastruktur. NorESM leverer modellresultat til FNs klimapanel og blir også brukt av forskingsmiljø i dei andre nordiske landa.

  Dei seinare åra er regionale og lokale klimaframskrivingar for Noreg blitt stadig viktigare, og norske klimaforskingsmiljø lagar no slike framskrivingar til bruk for lokale styresmakter og næringsliv, til dømes vasskraftindustrien. Då nyttar dei resultat frå globale klimamodellar (oftast dei sist oppdaterte resultata frå «Coupled Model Intercomparison Project») og nedskalerer dei for norske forhold.

Kjelder

Rasmus Benestad: «Hvordan er klimamodellene skrudd sammen?», energi.tekna.no, publisert 12.12.2017: https://energi.tekna.no/hvordan-er-klimamodellene-skrudd-sammen/ [lesedato 7.9.2018]

Rasmus Benestad: «Downscaling Climate Information», climatescience.oxfordre.com, publisert juli 2016: http://climatescience.oxfordre.com/view/10.1093/acrefore/9780190228620.001.0001/acrefore-9780190228620-e-27 [lesedato 10.9.2018]

Mats Bentsen: «Nytt stort infrastrukturprosjekt innen jordsystemmodellering» (presentasjon), ngfweb.no: http://www.ngfweb.no/docs/ngf2017_foredrag_08_bentsen.pdf [lesedato 27.9.2018]

Carbon Brief: «Climate modelling», carbonbrief.org, sist oppdatert 21.5.2018: https://www.carbonbrief.org/category/science/climate-modelling [lesedato 6.9.2018]

Inger Hanssen-Bauer ofl. (red.): Klima i Norge 2100. Kunnskapsgrunnlag for klimatilpasning oppdatert i 2015. NKSS-rapport nr. 2/2015. Digital utgåve Meteorologisk institutt, cms.met.no, publisert 25.4.2016: https://cms.met.no/site/2/klimaservicesenteret/klima-i-norge-2100/_attachment/10990?_ts=159d5ffcffd [lesedato 24.9.2018]

Kristine Harper ofl.: «50th Anniversary of Operational Numerical Weather Prediction», Bulletin of the American Meteorological Society, nr. 5/årgang 88. Digital utgåve American Meteorological Society, journals.ametsoc.org, publisert 1.5.2007: https://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/BAMS-88-5-639 [lesedato 13.9.2018]

Havforskingsinstituttet, temaside om klima og klimamodellar, imr.no, sist oppdatert 28.7.2016: http://www.imr.no/temasider/klima/klimamodeller/nb-no [lesedato 12.9.2018]

Syukuro Manabe og Richard T. Wetherald: «Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity», Journal of the Atmospheric Sciences, nr. 3/årgang 24. Digital utgåve American Meteorological Society, journals.ametsoc.org: https://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0469%281967%29024%3C0241%3ATEOTAW%3E2.0.CO%3B2 [lesedato 10.9.2018]

Ressursnettstad for Coupled Model Intercomparison Project, wcrp-climate.org: https://www.wcrp-climate.org/wgcm-cmip [lesedato 21.9.2018]

Gudrun Sylte: «Klimamodelleringsmiljøet får bevilgning i 100 millionersklassen», bjerknes.uib.no, publisert 27.6.2017: https://bjerknes.uib.no/artikler/nyheter/klimamodellering-blir-infrastruktur [lesedato 27.9.2018]

 

Peikarar

Rasmus Benestad: «Den hemmelige drivkraften bak internasjonale klimaavtaler», forskning.no

Nacy Bazilchuk: «Sånn kan klimamodeller bli bedre», gemini.no

Først publisert: 29.04.2019
Sist oppdatert: 29.04.2019